郭震

（美的集團(tuán)（上海）有限公司，上海 201799）

為了提高電動(dòng)汽車冬季續(xù)航能力，熱泵空調(diào)技術(shù)幾乎成為當(dāng)前純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)配。熱泵空調(diào)系統(tǒng)分為直接式熱泵系統(tǒng)和間接式熱泵系統(tǒng)，直接式熱泵系統(tǒng)比間接式熱泵系統(tǒng)效率高，但間接式熱泵系統(tǒng)也存在一定優(yōu)勢(shì)：一是減小空調(diào)箱改動(dòng)，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間；二是取消PTC 空氣加熱器，改為PTC 水加熱器，避免高壓電進(jìn)入乘客艙，安全性高；因此，很多車型采用了間接式熱泵系統(tǒng)。水冷式冷凝器作為該系統(tǒng)的主換熱器，其作用是將制冷劑熱量傳遞到冷卻液中，冷卻液將這部分熱量帶到乘客艙，該換熱器的性能優(yōu)良直接影響整個(gè)熱泵系統(tǒng)的COP 值。本文將探討汽車空調(diào)水冷式冷凝器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究，為有關(guān)從業(yè)人員提供借鑒。

1 水冷式冷凝器特點(diǎn)

考慮車載換熱器輕量化、緊湊化和低成本的需求，水冷式冷凝器一般采用釬焊式鋁合金板式換熱器（以下簡(jiǎn)稱板換）結(jié)構(gòu)。目前，該類型板換采用的板型主要有三種：人字波板型、點(diǎn)波式板型、內(nèi)翅片式。其中，內(nèi)翅片式板換具有流阻小、換熱性能佳的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛采用，本文選擇該類型板換為研究對(duì)象。

內(nèi)翅片式板換主要由換熱板片、內(nèi)翅片、頂板、底板、法蘭、水管等組成。其主要換熱結(jié)構(gòu)為層疊設(shè)置的換熱板片組，換熱板片帶翻遍，釬焊后形成多個(gè)制冷劑和冷卻液流道，兩種流道交錯(cuò)相鄰，流道腔體內(nèi)布置有內(nèi)翅片，起到強(qiáng)化傳熱的作用。為了獲得較好的傳熱效果，冷卻液與制冷劑的流動(dòng)方向最好為逆流，同時(shí)考慮冷卻液的流道分布較好且對(duì)流阻較為敏感，故冷卻液側(cè)一般采用單流程，制冷劑側(cè)則采用單流程或者三流程居多，也有采用U型流的設(shè)置，本文不做探討。

板換上常用的內(nèi)翅片形式有：平直翅片、鋸齒翅片、多孔翅片和波紋翅片等，其中鋸齒形翅片具有較好的綜合性能，因此作者推薦水冷式冷凝器的內(nèi)翅片形式采用鋸齒形。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋸齒翅片展開(kāi)了一系列實(shí)驗(yàn)研究，Kays 和London 等人對(duì)多種內(nèi)翅片進(jìn)行了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出了多種內(nèi)翅片的傳熱與壓降經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[1]；為了滿足機(jī)油冷卻器開(kāi)發(fā)需要，張力、郭麗華、王彥超等人以水或機(jī)油為換熱介質(zhì)，對(duì)多種鋸齒翅片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了多個(gè)鋸齒翅片的傳熱與壓降經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[2-4]；另外，很多學(xué)者也對(duì)內(nèi)翅片進(jìn)行了很多數(shù)值模擬研究[5-7]。但是上述研究大多局限于內(nèi)翅片單流道的研究，且介質(zhì)為水或油等不帶相變的工況，而采用內(nèi)翅片式板換結(jié)構(gòu)的水冷式冷凝器卻鮮有研究報(bào)道，其換熱機(jī)理、選型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造還存在諸多問(wèn)題。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

本文以某純電動(dòng)汽車的水冷式冷凝器為例，介紹電動(dòng)汽車空調(diào)水冷式冷凝器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

根據(jù)客戶要求，水冷式冷凝器尺寸不得超過(guò)允許的空間尺寸范圍，重量≤1.2Kg, 性能要求：冷卻液入口溫度50℃，流量12L/min,制冷劑進(jìn)氣壓力1.62MPaG，過(guò)熱度25℃，過(guò)冷度5℃，要求換熱量≥6KW，制冷劑流阻≤20KPa，冷卻液流阻≤16.2KPa。

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)選型

依據(jù)客戶提供的邊界，換熱板片選擇166mm*74mm板型，板片數(shù)量初步選擇19 片，疊片高度為65mm，重量1.0Kg，如圖1 所示。

圖1 水冷式冷凝器

水冷式冷凝器主體采用鋁合金材料，沖壓件和管件采用成型性較好的3 系鋁合金，法蘭上攻有螺紋，采用強(qiáng)度較高的6 系鋁合金。

2.2 翅片設(shè)計(jì)

作為影響換熱性能的核心部件，翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取非常重要。鋸齒翅片按照介質(zhì)流向不同，分為L(zhǎng)PD 型和HPD 型，如圖2 所示，為了獲得較高的換熱量，本文選擇HPD型鋸齒翅片作為研究對(duì)象。影響鋸齒翅片性能的參數(shù)主要有：齒高h(yuǎn)、齒距s、錯(cuò)齒距s0、齒開(kāi)窗寬度b、齒厚t、齒形角α，如圖3 所示。

圖2 鋸齒翅片的分類

圖3 鋸齒翅片的主要參數(shù)

對(duì)于水冷式冷凝器，在芯體有效長(zhǎng)、寬、高尺寸不變的情況下，齒高h(yuǎn) 越小，換熱量越高、流阻越大；齒距s 越小，換熱量越高、流阻越大；錯(cuò)齒距s0/齒距s 的比值越小，換熱量越高、流阻越大；齒開(kāi)窗寬度b 越小，換熱量越高、流阻越大；齒厚t 越小，換熱量越高、流阻越?。积X形角α 越大，換熱量越高、流阻越大。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了平衡換熱量和流阻需求，部分參數(shù)不宜過(guò)大或過(guò)小，齒高h(yuǎn) 建議在1.4～3mm 之間取值，齒距s 建議在4.2～7.8mm 之間取值，錯(cuò)齒距s0/齒距s 的比值建議在0.2～0.3 之間取值。對(duì)于齒開(kāi)窗寬度b，由于其值對(duì)流阻的影響較小，但對(duì)換熱量的提升影響較大，所以建議越小越好，但考慮其值低于1mm時(shí)易損壞模具，所以建議在1.0～1.8mm之間取值。對(duì)于齒厚t，其值越小，換熱量越高，流阻越小，同時(shí)重量越輕，所以建議越小越好，但考慮其值低于0.2mm 時(shí)翅片的抗塌陷性能難以保證，所以建議在0.2～0.4mm之間取值。齒形角α 的選取主要考慮可制造性和模具壽命，一般在70°～90°之間選取，主流是80°和90°。其中齒高h(yuǎn) 和錯(cuò)齒距s0/齒距s 的比值對(duì)換熱性能影響最大，需要重點(diǎn)關(guān)注。

由于客戶對(duì)冷卻液側(cè)流阻要求較高，故選擇齒高為3mm的鋸齒翅片，以減小流阻，選取翅片參數(shù)如表1 所示。

表1 翅片參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)制作了水冷式冷凝器樣件，進(jìn)行換熱性能測(cè)試，制冷劑為R134a，冷卻液為50%乙二醇水溶液。指定制冷劑進(jìn)氣壓力1.62MPaG，入口過(guò)熱度25℃，出口過(guò)冷度5℃，冷卻液入口溫度50℃，通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹閥的開(kāi)度，獲得不同冷卻液流量下的換熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

圖4 換熱量隨冷卻液流量的變化情況

從圖4 可以看出，冷卻液流量對(duì)換熱量的影響較大，隨著冷卻液流量增加，換熱量逐步增加，換熱量與冷卻液流量比值的0.58 次方成正比。

從圖5 可以看出，隨著冷卻液流量增加，冷卻液流阻逐步增加，冷卻液流阻與冷卻液流量比值的1.97 次方成正比。

圖5 冷卻液流阻隨冷卻液流量的變化情況

從圖6 可以看出，隨著制冷劑流量增加，制冷劑流阻逐步增加，制冷劑流阻與制冷劑流量比值的2.05 次方成正比。

圖6 制冷劑流阻隨制冷劑流量的變化情況

調(diào)整工況，分析不同溫差下水冷式冷凝器的換熱性能，所述溫差是指制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差。指定制冷劑入口過(guò)熱度為25℃，出口過(guò)冷度為5℃，冷卻液流量為10L/min，其余工況的選取見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試工況表

從圖7 可以看出，在相同的冷卻液流量下，制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差越大，換熱量越大，并且當(dāng)制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差相同時(shí)，換熱量比較接近。

圖7 換熱量隨溫差的變化情況

同一工況下，試樣有6 種不同擺放，如圖8 所示，分析不同的樣件擺放方式對(duì)水冷冷凝器換熱量、冷卻液流阻的影響。

圖8 水冷式冷凝器的六種擺放方式

從圖9 可以看出，擺放方式一、二、三的換熱量較高，換熱量最低的為擺放方式五，換熱量只有擺放方式三的79%。對(duì)于本水冷式冷凝器，不同的擺放方式對(duì)換熱量的影響較大，合理的擺放有利于獲得最佳性能。這主要是制冷劑在流道內(nèi)分配不均勻造成的，可通過(guò)增加流程數(shù)來(lái)改善，雖然會(huì)增加流阻，但是考慮冷凝器一般可以接受較高的制冷劑流阻，所以制冷劑側(cè)推薦采用多流程設(shè)計(jì)。至于冷卻液側(cè)，由于多流程設(shè)計(jì)對(duì)大大增加冷卻液流阻，一般采用單流程設(shè)計(jì)。

圖9 不同擺放方式換熱量的變化情況

從圖10 可以看出，對(duì)于本水冷式冷凝器，不同的擺放方式對(duì)冷卻液流阻的影響很小，最大偏差只有2%。

圖10 不同擺放方式冷卻液流阻的變化情況

4 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)使用內(nèi)翅片式結(jié)構(gòu)的電動(dòng)汽車空調(diào)水冷式冷凝器進(jìn)行了介紹，并對(duì)其傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論：

4.1 冷卻液流量對(duì)換熱量的影響較大，隨著冷卻液流量增加，換熱量逐步增加，換熱量與冷卻液流量比值的0.58次方成正比。

4.2 隨著冷卻液流量增加，冷卻液流阻逐步增加，冷卻液流阻與冷卻液流量比值的1.97 次方成正比。

4.3 隨著制冷劑流量增加，制冷劑流阻逐步增加，制冷劑流阻與制冷劑流量比值的2.05 次方成正比。

4.4 在相同的冷卻液流量下，制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差越大，換熱量越大，并且當(dāng)制冷劑冷凝溫度與冷卻液入口溫度之差相同時(shí)，換熱量比較接近。

4.5 不同的擺放方式對(duì)換熱量的影響較大，合理的擺放有利于獲得最佳性能；但是對(duì)冷卻液流阻的影響很小。